Einstieg in die Betriebssystementwicklung Grundlagen für das eigene OS Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Chemnitzer Linux Tage 18. März 2012 Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 1/81
Agenda 1 Einleitung 2 Entwicklungsumgebung 3 Hardwareinitialisierung die Erste 4 Ausgabe erzeugen 5 Aufsetzen von GDT und IDT 6 Interrupt Controller 7 Timer 8 Debuggen 9 Speicherverwaltung 10 Weitere Elemente 11 Literatur Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 2/81
Einleitung Was erwartet uns? Ziel Bau eines einfachen OS für die x86-architektur (32-bit) monolitisches Kerneldesign einfaches Design des Kernels Kernel soll später leicht zu erweitern sein Ablauf Abwechslung zwischen Theorie und Praxis zu Beginn kleine Theorieblöcke gefolgt von je einem praktischen Teil am Ende folgt ein größerer Theorieblock mit einem Ausblick Hinweis Workshop kann nur einen groben Einstieg geben wer sein eigenes OS entwickeln möchte, muss bereit sein Handbücher zu lesen Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 3/81
Einleitung Entwicklungsumgebung Programmiersprachen Tools C (soweit möglich) x86-assembler für hardwarenahe Funktionen gcc, gnu as und gnu ld make Editor nach Wahl Qemu Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 4/81
Einleitung JamesM s kernel development tutorials Workshop basiert auf dem Kernel Tutorial von James Molloy das Tutorial kann als Vertiefung / Ergänzung zu diesem Workshop herangezogen werden Unterschiede anstelle von NAS (Netwide Assembler) wird GNU AS benutzt (andere Syntax) wir nutzen Qemu anstelle von Bochs Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 5/81
Entwicklungsumgebung Makefile Variablen SOURCES Auflistung aller Module (C- u. AS-Files) die wir benutzen wollen (Module werden in der Form Dateiname.o angegeben) CFLAGS Parameter für den C-Compiler ASFLAGS Parameter für den AS-Compiler LDFLAG Parameter für den Linker Parameter all führt zuerst kernel, dann floppy aus kernel erzeugt Kernel Image floppy Erzeugt eine Boot Diskette clean aufräumen Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 6/81
Entwicklungsumgebung Makefile Besonderheiten für 64-bit Entwicklungsrechner CCFLAGS -m32 ASFLAGS -m32 LDFLAGS -melfi386 Durch diese Parameter wird 32-bit Code anstelle von 64-bit Code erzeugt. Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 7/81
Entwicklungsumgebung Makefile 1 CC=gcc 2 AS=gcc 3 4 SOURCES=boot.o main.o 5 6 CCFLGAS= nostdlib nostdinc ffreestanding \ 7 fno builtin fno stack protector O0 W m32 \ 8 (COMPONENTS) 9 LDFLAGS= Tlink. ld melf i386 10 ASFLAGS= m32 11 12 all : kernel floppy 13 14 kernel : (SOURCES) link 15 16 clean : 17 rm.o kernel 18 19 link : 20 ld (LDFLAGS) o kernel (SOURCES) 21 22 floppy : 23 sudo losetup /dev/loop0../ floppy.img 24 sudo mount /dev/loop0 /mnt 25 sudo cp kernel /mnt/kernel 26 sudo umount / dev/ loop0 27 sudo losetup d /dev/loop0 28 Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 8/81
Entwicklungsumgebung Makefile 29 %.o: %.c 30 (CC) (CCFLGAS) c < 31 32 %.o: %.S 33 (AS) (ASFLAGS) c < Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 9/81
Entwicklungsumgebung Compilerflags -nostdlib verhindert das Einbinden der standard C-Libraries -nostdinc verhindert das Einbinden der standard Headerfiles -ffreestanding schaltet hostspezifische GCC Optimierungen ab Bsp. 1: printf( string ) wird durch puts( string ) ersetzt Bsp. 2: main-funktion stellt nicht zwingend den Programmstart dar -fno-bultin benutzt keine speziellen auf Speicher und Laufzeit optimierten Funktionen -fno-stack-protector schaltet die Stack Overflow Protection ab andernfalls ordnet der GCC die Variablen gegebenenfalls auf dem Stack um Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 10/81
Entwicklungsumgebung Linker Script 3 Codesegmente.text ausführbarer Code.data vorinitialisierte statische Daten.bss uninitialisierte statische Daten Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 11/81
Entwicklungsumgebung Linker Script 1 ENTRY( start ) 2 SECTIONS 3 { 4 start addr = 0x00000000 ; 5. text 0x100000 : 6 { 7 code =.; code =.; code =.; 8 (. text ) 9. = ALIGN(4096) ; 10 } 11. data : 12 { 13 data =.; data =.; data =.; 14 (. data) 15 (. rodata ) 16. = ALIGN(4096) ; 17 } 18. bss : 19 { 20 bss =.; bss =.; bss =.; 21 (. bss ) 22. = ALIGN(4096) ; 23 } 24 end =.; end =.; end =.; 25 } Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 12/81
Entwicklungsumgebung Qemu zum Testen des Kernels wird Qemu verwendet Qemu emuliert einen vollständigen PC wir nutzen ein virtuelles Floppy-Disk-Laufwerk zum Booten GDB-Schnittstelle zum einfachen Debuggen Aufrufparameter qemu -cpu 486 -fda floppy.img serial stdio Qemu Monitor Wechsel zum Monitor mit: [Strg]+[Alt]+[2] info registers // Gibt die CPU Register aus Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 13/81
Hardwareinitialisierung die Erste Hardwareinitialisierung Zielsetzung CPU soll 32-bit Code ausführen zum Test soll 0xdeadbeaf ins Register eax geschrieben werden Verständnis über das Zusammenspiel von C- und Assemblercode Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 14/81
Hardwareinitialisierung die Erste Bootvorgang beim x86 x86 historisch gewachsene Architektur die rückwärtskompatibel ist alle CPUs starten im Real Mode (CPU führt nur 16-bit Instruktionen aus) danach kann die CPU stufenweise in den 32-bit oder 64-bit Modus gefahren werden wir nutzen den GRUB-Bootloader mit Multiboot GRUB erledigt für uns einen Teil des Hardwaresetups wir können direkt 32-bit Code ausführen Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 15/81
Hardwareinitialisierung die Erste Multiboot Standard für das Booten eines Betriebssystems führt den ersten Schritt der Hardwareinitialisierung aus vor Aufruf des Betriebssystems wird die CPU nicht zurück in den Real Mode gesetzt Multiboot bietet die Möglichkeit Kernelparameter zu übergeben Minimierung des nötigen Bootcodes (<20 Zeilen) Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 16/81
Hardwareinitialisierung die Erste GCC Aufrufkonvention Parameter werden über den Stack übergeben Parameter werden von rechts nach links auf den Stack gelegt der Stackpointer zeigt auf die Rücksprungadresse der Rückgabewert liegt im Register eax die Register eax, ecx, edx können innerhalb der aufgerufenen Funktion frei genutzt werden Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 17/81
Hardwareinitialisierung die Erste Aufgabe 1 machen Sie sich mit der Entwicklungsumgebung vertraut schreiben Sie eine Mainfunktion, welche 0xdeadbeaf ins Register eax schreibt verwenden Sie als Dateiname main.c und erweitern Sie das Makefile diesbezüglich benutzen Sie nur C-Code (kein Assemblercode innerhalb der Mainfunktion) nutzen Sie den Qemu Monitor um den Erfolg Ihrer Arbeit zu prüfen Zusatzaufgabe: achten Sie auf die richtige Deklaration von main Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 18/81
Ausgabe erzeugen Ausgabe erzeugen Zielsetzung Ein Hello Linux Tage! über COM1 Schreiben und Lesen von den I/O-Ports Benutzen der UART-Schnittstelle Ausführliche Beschreibung http://en.wikibooks.org/wiki/serial_programming/8250_uart_programming Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 19/81
Ausgabe erzeugen Eigene Datentypen Abstraktion von der Hardware die Länge von einigen Datentypen hängt in C von der eingesetzten Hardware ab Definition eigener Datentypen macht das OS universeller Datentypen 1 typedef unsigned char uint8 ; 2 typedef unsigned short uint16 ; 3 typedef unsigned int uint32 ; 4 5 typedef char sint8 ; 6 typedef short sint16 ; 7 typedef int sint32 ; Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 20/81
Ausgabe erzeugen I/O-Ports Zugriff auf externe Geräte wird vor allem bei älteren Systemen benutzt jedes Gerät ist einem festen I/O-Portbereich zugeordnet ein Port ist 1, 2 oder 4-Byte groß 16-bit Portadresse neue Geräte verwenden häufig I/O-Speicher anstelle von I/O-Ports Lese-/Schreibzugriffe von/auf I/O-Ports Lesen: inb, inw, inl Schreiben: outb, outw, outl Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 21/81
Ausgabe erzeugen I/O-Ports Beispiel: von 32-bit breitem Port einlesen 1 void outl ( uint16 port, uint32 value ) { 2 asm volatile ( outl %1, %0 : : dn ( port ), a ( value ) ) ; 3 } Beispiel: in ein 32-bit breites Register schreiben 1 uint32 inl ( uint16 port ) { 2 uint32 ret ; 3 asm volatile ( inl %1, %0 : =a ( ret ) : dn ( port ) ) ; 4 return ret ; 5 } Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 22/81
Ausgabe erzeugen Hardwarezugriff Steuerung der Hardware erfolgt über Registerzugriffe Register sind entweder als I/O-Port ansprechbar oder memorymapped Ausnahmen bilden spezielle CPU Register die Länge eines Registers ist im allgemeinen ein Vielfaches von 8-bit die CPU-Register einer 32-bit Maschine sind meist 32-bit Registerinhalte können als Datenwort aufgefasst werden jedes Bit eines Registers hat eine bestimmte Bedeutung Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 23/81
Ausgabe erzeugen UART8250 ursprüngliche Chipvariante für die serielle Kommunikation Nachfolgerversionen wie z.b. der UART16650 sind Erweiterungen von diesem Chip und Rückwärtskompatibel 8 Hardwareregister wovon einige mehrfach belegt sind die PC Spezifikation sieht bis zu 4 UART-Schnittstellen vor Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 24/81
Ausgabe erzeugen UART8250 serielle Schnittstellen eines standard PCs COM Port IRQ Base Port I/O address 1 4 0x3F8 2 3 0x2F8 3 4 0x3E8 4 3 0x2E8 Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 25/81
Ausgabe erzeugen UART8250 Register Offset DLAB I/O Access Abbrv. Register Name +0 0 Write THR Transmitter Holding Buffer +0 0 Read RBR Receiver Buffer +0 1 Read/Write DLL Divisor Latch Low Byte +1 0 Read/Write IER Interrupt Enable Register +1 1 Read/Write DLH Divisor Latch High Byte +2 x Read IIR Interrupt Identification Register +2 x Write FCR FIFO Control Register +3 x Read/Write LCR Line Control Register +4 x Read/Write MCR Modem Control Register +5 x Read LSR Line Status Register +6 x Read MSR Modem Status Register +7 x Read/Write SR Scratch Register Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 26/81
Ausgabe erzeugen UART8250 Interrupt Enable Register 7 6 5 4 3 2 1 0 undifined LPM SM MSI RLS THRE RDA Registerbeschreibung RDA Enable Received Data Available Interrupt THRE Transmitter Holding Register Empty Interrupt RLS Receiver Line Status Interrupt MSI Modem Status Interrupt SM Enables Sleep Mode (16750) LPM Enables Low Power Mode (16750) Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 27/81
Ausgabe erzeugen UART8250 Line Control Register 7 6 5 4 3 2 1 0 DLAB SBE PS SP WL Registerbeschreibung WL Word Length (2: 8-Bit) SP Stop Bit (0: One Stop Bit) PS Parity Select (1: Odd Parity) SBE Set Brake Enable DLAB Divisor Latch Access Bit Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 28/81
Ausgabe erzeugen Aufgabe 2 Schreiben Sie eine Funktion inb um ein Byte von einem I/O-Port einzulesen Schreiben Sie eine Funktion outb um ein Byte in das Register eines I/O-Ports zu schreiben Schreiben Sie eine Funktion uart8250 putc um ein Zeichen über die serielle Schnittstelle auszugeben Nutzen Sie Ihre selbst geschriebene Funktion um von der Mainfunktion einen Text auszugeben Zusatzaufgabe: Schreiben Sie eine Funktion uart8250 puts um einen String auszugeben Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 29/81
Aufsetzen von GDT und IDT Aufsetzen von GDT und IDT Zielsetzung Kennenlernen der verschiedenen Speichermodelle des X86 Ausführungsmodi Aufsetzen der Global Descriptor Table Interrupt- und Exeptionbehandlung Aufsetzen der Interrupt Descriptor Table Auslösen eines Interrupts Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 30/81
Aufsetzen von GDT und IDT Ausführungsmodi (Ring-Level) Ring 3 4 Ringe (Betriebsmodi) von 0-3 innerster Ring ist Kernel Modus äußerster Ring ist User Modus Kernel Modus erlaubt maximalen Hardwarezugriff Ring 0 (Kernel) User Modus schränkt HW-Zugriff ein (z.b. Interrupts können nicht blockiert werden oder Einschränkung des Speicherzugriffes) die meisten Betriebssysteme nutzen nur Kernel und User Modus Ring 1 und 2 wird u.a. von Microkernelsystemen für die Treiberimplementation genutzt User Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 31/81
Aufsetzen von GDT und IDT Speicherzugriffsmodelle Zugriffsschutz eine Anwendung soll den Speicher einer anderen weder gewollt noch ungewollt verändern zwei grundsätzlich verschiedene Ansätze: Segmentierung Paging Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 32/81
Aufsetzen von GDT und IDT Speicherzugriffsmodelle Segmentierung teilt den Speicher in mehrere Segmente linearer Address Space beginnt bei 0 und endet bei der Größe des Segments Zugriff nur innerhalb eines Segmentes möglich Segmentierung ist fest verankert in der x86-architektur ohne ein minimales Setup kommen wir nicht aus 64-bit Systeme benötigen für bestimmte Instruktionen einen flachen Adressraum von 0x0000 0000-0xffff ffff wir verwenden ebenfalls einen flachen Adressraum Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 33/81
Aufsetzen von GDT und IDT Segment Descriptor Register 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Base 31:24 G B 0 A D V Limit 19:16 P P L L 1 Type Base 23:16 Base 15:00 Segment Limit 15:00 Siehe Intel x86 Software Developer s Manual, Volume 3A, Kap. 4 für weitere Details. Abbildung in C durch eine Stuktur 1 typedef struct gdt entry str { 2 uint16 limit low ; 3 uint16 base low ; 4 uint8 base middle ; 5 uint8 access ; 6 uint8 granularity ; 7 uint8 base high ; 8 } attribute (( packed)) gdt entry t ; Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 34/81
Aufsetzen von GDT und IDT Global Descriptor Table (GDT) Tabelleneinträge min. 5 Einträge 1. Eintrag ist null und wird von der CPU genutzt 2 Kerneleinträge (Code- und Datensegment) 2 Einträge für den User Level (ebenfalls Code- und Datensegment) Aktivieren der neuen GDT Assemblercode nötig Pointer zur GDT ins Register GDTR laden Offset zum Kerneldatensegment wird in folgende Register geschrieben: ds, es, fs, gs, ss Codesegment wird über die ljmp Instruktion aktiviert Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 35/81
Aufsetzen von GDT und IDT Global Descriptor Table (GDT) GDT Pointer Struktur 1 typedef struct gdt ptr str { 2 uint16 limit ; 3 uint32 base ; 4 } attribute (( packed)) gdt ptr t ; Werte in Register schreiben 1 extern void gdt flush ( gdt ptr t ) ; 1 gdt flush : 2 mov 4(%esp),%eax ; 3 lgdtl (%eax) ; 4 5 mov 0x10, %ax 6 mov %ax, %ds ; 7 mov %ax, %es ; 8 mov %ax, %fs ; 9 mov %ax, %gs ; 10 mov %ax, %ss ; 11 ljmp 0x08, 1f ; 12 1: 13 ret ; Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 36/81
Aufsetzen von GDT und IDT Interrupt Descriptor Table (IDT) die IDT wird analog zur GDT aufgebaut gibt es für einen IRQ keinen Eintrag in der IDT führt dies zu einer Panic und den Reset der CPU 256 Einträge nötig (für jeden möglichen Interrupt) nicht benötigte Einträge werden mit 0 initialisiert alle Interruptroutinen sollen im Kernelmodus abgearbeitet werden wir nutzen 32-bit große Segmente jeder Eintrag beinhaltet einen Funktionspointer zur zugehörigen Interrupt Service Routine (ISR) Siehe Intel x86 Software Developer s Manual, Volume 3A, Kap. 5 für weitere Details. Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 37/81
Aufsetzen von GDT und IDT Interrupt Service Routine für jeden IRQ wird eine eigene ISR benötigt, da beim Aufruf der ISR die Interrupt Nr. nicht übergeben wird Zweiteilen der ISR 1. Teil sichert Registerwerte, setzt die entsprechenden Datensegmente und sichert Interrupt Nr. (Assemblercode) 2. Teil ist in C implementiert und ruft den entsprechenden Handler auf (C-Code) durch diese Teilung ist der Code für alle IRQ gleich und Handlerfunktion können zur Laufzeit einfach hinzugefügt werden Interrupt 8, Interrupt 10-14 und Interrupt 17 liefern zusätzlich einen Fehlercode Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 38/81
Aufsetzen von GDT und IDT Aufgabe 3 erstellen Sie eine C-Struktur, welche die IDT Register wiedergibt erstellen Sie eine Struktur, welche die Basisadresse und das Limit der IDT beinhaltet Setzen Sie die IDT auf beachten Sie, dass Einträge ohne gültige ISR 0 sein sollen Sie können die Funktion memset nutzen Lösen Sie einen IRQ durch den Assemblerbefehl int 0x3 aus Zusatz: Schreiben Sie eine Handlerfunktion für den Interrupt 4, welche den Fehlercode sowie den Instruktion Pointer ausgibt. Testen Sie Ihre Handlerfunktion mit Hilfe der int Anweisung Verwenden Sie nun Interrupt 8 anstelle von Interrupt 4 Was stellen Sie fest? Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 39/81
Interrupt Controller Interrupt Controller Zielsetzung Grundlagen Interrupts Kennenlernen des PIC8259 Bausteins Erweitern der ISR für externe Interrupts Erweitern des UART8250 Treibers für den Empfang von einzelnen Zeichen Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 40/81
Interrupt Controller Hardware (externe) / Software Interrupts Hardware Interrupts liegen am INTR PIN der CPU an können maskiert werden (IF Flag im Register EFLAGS) Software Interrupts durch int-anweisung innerhalb der Software ausgelöst Verhalten stimmt nicht mit einem HW Interrupt überein Bsp.1: es wird kein Error Code auf den Stack gelegt Bsp.2: Beim NMI-Interrupt wird der Software Handler aufgerufen, nicht aber der CPU interne Handler Allgemein Jeder Interrupt hat eine Priorität Interrupts werden entsprechend ihrer Priorität abgearbeitet Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 41/81
Interrupt Controller Interne / Externe HW Interrupts interne Interrupts (Architecture related) IRQ 0-31 sind für CPU Exceptions reserviert Bsp.: Divide Error, Overflow, General Protection, Page Fault externe Interrupts (angeschlossene Hardware) IRQ 32-255 können hierfür frei gewählt werden es wird ein Interrupt Controller wie der PIC8259 benötigt neuere CPUs verfügen zusätzlich über einen APIC der neben weiteren Funktionen vor allem mehr Interruptleitungen im Vergleich zum PIC hat Bsp.: Timer, UART, Tastatur Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 42/81
Interrupt Controller PIC8259 Einfacher Interrupt Controller mit 8 Leitungen durch die Kaskatierung von 2 PICs stehen dem x86 15 IRQ Leitungen zur Verfügung nach einem Reboot besteht folgendes Mapping PIC 1: IRQ 0-7 liefert Interrupt Nr. 0x08-0x0f an CPU PIC 2: IRQ 8-15 liefert Interrupt Nr. 0x70-0x77 an CPU Konflikt mit den architekturspezifischen Interrupts Remap der Interrupt Nr. nötig nachdem ein IRQ ausgelöst wurde muss die Abarbeitung dem Controller quittiert werden Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 43/81
Interrupt Controller PIC8259 IRQ Belegung beim x86 PIC 1 (Master) IRQ0 IRQ1 IRQ2 IRQ3 IRQ4 IRQ5 IRQ6 IRQ7 Timer Tastatur Seriell Seriell Soundkarte Floppy Parallel Port PIC 2 (Slave) IRQ8 IRQ9 IRQ10 IRQ11 IRQ12 IRQ13 IRQ14 IRQ15 Echtzeituhr PS/2 Maus Koprozessor Festplatte Festplatte CPU Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 44/81
Interrupt Controller IRQ Abarbeitung CPU erhält externen Interrupt ISRs IDT nachschlagen welche Funktion aufgerufen werden soll Aufrufen der ISR Interrupt Handler isr_handler Aufruf der IRQ spezifischen Funktion Wechsel in den C Code isr_common_stub Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 45/81
Interrupt Controller Aufgabe 4 schreiben Sie einen für alle externen IRQs gültigen Handler. dieser soll den Empfang an den PIC quitieren den Interrupt Handler aufrufen wurde kein Interrupt Handler registriert ist nichts zu tun alternativ kann zum Testen die IRQ Nummer ausgegeben werden ergänzen Sie die Datei aisr.s um einen irq common stub, welcher Ihren Interrupt Handler aufruft machen Sie sich mit dem erweiterten Setup der IDT vertraut vervollständigen Sie die Funktion init idt schreiben Sie eine Funktion enable irq Zusatzaufgabe: erweitern Sie den UART Treiber, so dass dieser einzelne Zeichen von der Console einließt. (Nutzen Sie die Funktionen uart8250 receive() ) Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 46/81
Timer Timer (PIT8253) Zielsetzung Kennenlernen des PIT8253 Setup des Timers für ein späteres Multitasking Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 47/81
Timer PIT8253 programmierbarer Zähler 3 unabhängige Zähler mit einer Eingangsfrequenz von bis zu 2MHz Counter 1 Erzeugen eines Clock Signals Counter 2 wird für den DRAM benutzt Counter 3 Soundgenerierung früher: eigenständiger Chip heute: fest in der South Bridge integriert neuere CPUs bieten weitere Timer der Counter 0 ist mit dem Interrupteingang 0 des PIC verbunden Für weitere Details siehe: http://www.intel.com/design/archives/periphrl/docs/7203.htm?wapkw=8254 http://www.sharpmz.org/mz-700/8253ovview.htm Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 48/81
Timer PIT8253 I/O Port Base Addr. 0x40 4 8-bit Register Register Offset Register Name 0 Counter 0 1 Counter 1 2 Counter 2 3 Control Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 49/81
Timer PIT8253 Control Register 7 6 5 4 3 2 1 0 SC RLM Mode BCD SC Select Counter 00 Counter 0 01 Counter 1 10 Counter 2 11 ungültiger Wert RLM Read / Load Mode 00 Zählerwert zwischenspeichern 01 R/W nur Least-Significant Byte 10 R/W nur Most-Significant Byte 11 R/W erst Least- dann Most-Significant Byte Mode Ausführungsmodus 000 Interrupt on Terminal Count 001 Programable One-Shot x10 Rate Generator x11 Square Wave Generator 100 Software Triggered Strobe 101 Hardware Triggered Strobe BCD Zählmodus 0 binär 1 dezimal Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 50/81
Timer PIT8253 Counter Register beim Schreiben ins Register Counter 0-3 wir der Startwert des jeweiligen Zählers gesetzt ein Lesezugriff gibt den aktuellen Zählerstand zurück vor dem Lesen sollte der Zählerstand in einem internen Register des PIT zwischengespeichert werden RLM = 0, sonst kann ein ungültiger Wert ausgelesen werden Berechnen des Counterwerts count value = InputFrequenze OutputFrequenze InputFrequenze = 1.193182MHz Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 51/81
Timer Aufgabe 5 Schreiben Sie eine Funktion pit8253 init zum Initialisieren des PIT Controllers nutzen Sie den Counter 0 am Ausgang soll ein Rechtecksignal anliegen die Ausgangsfrequenz des Timers soll der Initfunktion als Parameter übergeben werden Schreiben Sie einen Interrupthandler für den Timer, welcher ausgibt, wie oft bereits ein Timer Interrupt ausgelöst worden ist Zusatzaufgaben Welche Aussage können Sie treffen, wenn Ihnen die Anzahl Ticks, so wie Frequenz des Timer bekannt sind? Experimentieren Sie mit verschiedenen Frequenzen Was stellen sie bei kleinen Frequenzen 1-100 Hz fest? Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 52/81
Debuggen Speicherverwaltung und Debuggen Zielsetzung Aufsetzen einer minimalen Speicherverwaltung Kennenlernen der Debugfunktionalität des Qemu Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 53/81
Debuggen Speicherverwaltung im weiteren Verlauf benötigen wir eine Möglichkeit Speicher dynamisch zu allozieren Speicherbereich wird als kontinuierliches Array betrachtet Code- und Datenbereich des Kernels ist bereits vergeben restlicher Speicher kann der Reihe nach alloziert werden keine Speicherfreigabe dieser Ansatz wird häufig in Echtzeitsystemen angewandt Heap (free) Heap (used) Kernel *free_mem 0xFFFF FFFF 0x0012 3000 0x0011 0000 0x0010 0000 0x0000 0000 Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 54/81
Debuggen Speicherverwaltung Anforderungen Möglichkeit Speicher Page Aligned anzufordern physikalische Adresse wird benötigt (wird beim Einführen eines virtuellen Adressraums benötigt) Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 55/81
Debuggen Debuggen irgendwann wird sich der erste Programmierfehler einschleichen, der nicht ganz einfach zu finden ist neben dem Debuggen mit printf gibt es andere effektive Methoden Qemu stellt z.b. einen GDB Server bereit Qemu erlaubt das schrittweise Ausführen einzelner Instruktionen zusätzlich können die Daten in Registern und Speicher beobachtet werden mit dem DDD steht eine graphische Oberfläche zur Verfügung Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 56/81
Debuggen Debuggen Compiler Optionen -g fügt dem auszuführenden Code Debuginformationen hinzu -O0 durch das Abschalten von Optimierungen ist der Code leichter zu Debuggen (keine unerwarteten Sprünge beim Ausführen) Qemu Aufrufparameter -gdb tcp::1234 Nutz tcp als Übertragungsprotokol zwischen dem GDB-Server und dem GDB -S hält den virtuellen PC sofort nach dem Einschalten an GDB ddd kernel target remote :1234 (Verbindung zum Server herstellen) Breakpoint auf den Beginn der Mainfunktion setzen continue (Bootvorgang wird ausgeführt, Ausführung stoppt bei der main-funktion) Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 57/81
Debuggen Aufgabe 6 machen Sie sich mit dem gegebenen Programmcode vertraut Schauen Sie sich nicht die Datei kheap.c an! die Funktion kmalloc sollte den nächsten freien Speicherbereich zurückgeben die Funktion kmalloc a gibt den Beginn der nächsten freien Page zurück nutzen Sie den Debugger, um nachzuverfolgen, warum alle zurückgegebenen Speicheradressen Page Aligned sind beheben Sie den gefundenen Fehler Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 58/81
Speicherverwaltung Speicherverwaltung Zielsetzung Kennenlernen des Konzepts eines virtuellen Adressraums Einführung in die Pagingfunktionalität des x86 Aufsetzen eines virtuellen Adressraums Bitfelder und Bitmaps Eigenen Page Fault Handler entwerfen Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 59/81
Speicherverwaltung Paging Abstraktion vom physikalischen Adressraum bietet zwei wichtige Funktionen: virtueller Adressraum Speicherzugriffsschutz Umsetzung von virtueller nach physikalischer Adresse wird durch zusätzliche Hardware (MMU) realisiert Betriebssystem stellt Übersetzungstabellen bereit die Anwendung sieht nur die virtuellen Adressen der physikalische und somit auch der virtuelle Adressraum wird in Seiten (Pages) aufgeteilt eine typische Seitengrößen ist 4KByte Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 60/81
Speicherverwaltung Virt. Adr. 1 Virt. Adr. 2 Phys. Adr. 1 FFFF 0xFFFF virtueller Adressraum 0xFFFF FFFF 0xFFFF FFFF Kernel Kernel 0x8000 0000 Kernel 0x8000 0000 App2 Data Data App2 App1 App1 0x0000 0000 0x0000 0000 0x0000 0000 Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 61/81
Speicherverwaltung virtueller Adressraum Adressübersetzung 31 22 21 12 11 0 Directory Table Offset Page Directory Directory Entry Page Table Page (4 KByte) CR3 Page Table Entry Physical Address Page Directory und Page Table müssen Page Aligned sein Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 62/81
Speicherverwaltung virtueller Adressraum Eigenschaften kein vollständiges Mapping zwischen physikalischen und virtuellen Adressen (bzw. umgekehrt) nicht kontinuierlich häufig wird der virtuelle Adressraum aufgeteilt, z.b. 0x0000 0000-0x7fff ffff : anwendungsbezogen 0x8000 0000-0xffff ffff : Betriebssystem durch die Aufteilung ist das Kernelmapping für alle virtuellen Adressräume gleich der Zugriff auf eine Seite im Speicher kann eingeschränkt werden Lesen / Schreiben Kernel / User Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 63/81
Speicherverwaltung Paging x86 Page Table Entry (4-KByte Page) 31 12 11 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Page Base Address Sys.Prog. use G P P A D A C T D P W T U / S R / W P Bit Feld 1 typedef struct page str { 2 uint32 present : 1; 3 uint32 rw : 1; 4 uint32 user : 1; 5 uint32 write through : 1; 6 uint32 disalbe cache : 1; 7 uint32 accessed : 1; 8 uint32 dirty : 1; 9 uint32 attr intdex : 1; 10 uint32 global : 1; 11 uint32 internal : 3; 12 uint32 frame : 20; 13 } page t ; Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 64/81
Speicherverwaltung Page Fault Page Fault tritt auf wenn: Page nicht gemapped ist Schreiben auf eine read-only Page Zugriff auf eine Kernel Page vom User Mode aus Page Fault löst Interrupt 14 aus und liefert Error Code Error Code Bit 0: 1 - Page mapped Bit 2: 1 - User Mode 0 - Page not mapped 0 - Kernel Mode Bit 1: 1 - Write Bit 3: 1 - Reserved bit was overwritten 0 - Read Bit 4: 1 - Instruction Fetch Page Fault Addr. Adresse, welche den Page Fault verursacht hat, wird in CR2 geschrieben Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 65/81
Speicherverwaltung Bitmaps (Bitsets) Einsatzzweck Verwaltung von Informationen (meist Aussagen, die mit einem Bit ausgedrückt werden können) Ziel ist das Einsparen von Speicherplatz Funktionen Set Unset Test 7 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 66/81
Speicherverwaltung Aufgabe 7 Schreiben Sie Ihren eigenen Page Fault Handler geben Sie folgende Informationen aus Pointer zur aktuellen Page Table Fehlercode Programmcounter Adresse, welche den Page Fault ausgelöst hat Nutzen Sie das Makro PANIC aus dem Headerfile common.h um die CPU anzuhalten Zusatzaufgabe: Decodieren Sie den Fehlercode erweitern Sie den Page Fault Handler, so dass der Fehlercode in einer leicht lesbaren Form ausgegeben wird Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 67/81
Weitere Elemente Heap erweiterte Speicherverwaltung bis jetzt: Speicher anfordern aber keine Freigabe Funktion free um Speicher wieder freizugeben nötig sobald Programme gestartet und wieder beendet werden sollen oder wenn Programme dynamisch Speicher anfordern und wieder freigeben ohne free steht dem System irgendwann kein Speicher mehr zur Verfügung Systeme mit statischem Setup (Programme werden nur während der Initialisierungsphase gestartet, kein dynamisches allozieren von Speicher) kommen ohne free aus unsere bereits implementierte Speicherverwaltung ist eine minimale Implementation eines Heaps Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 68/81
Weitere Elemente Heap James Molly bietet eine einfache Implementation in seinem Tutorial wer sein OS später in einer produktiven Umgebung einsetzen möchte, sollte weitere Literatur zu Rate ziehen die Art und Weise, wie Speicher alloziert und wieder freigeben wird, beeinflusst die Leistung eines Systems durch das Anfordern und Freigeben von Speicher kann es zu einer Speicherfragmentierung kommen Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 69/81
Weitere Elemente Multitasking unser Betriebssystem nutzt nur eine physikalische CPU, auch wenn das System mehrere Kerne zur Verfügung stellt ohne Multitasking kann nur eine Applikation ausgeführt werden durch Multitasking können mehrere Anwendungen scheinbar parallel ausgeführt werden das Betriebssystem teilt jeder Anwendung die CPU für eine bestimmte Zeitspanne zu Möglichkeiten die CPU aufzuteilen Round Robin: die CPU-Zeit wird reihum auf alle Anwendung verteilt Prioritätsbasiert: jede Anwendung bekommt eine bestimmte Priorität, es wird immer die Anwendung mit der höchsten Priorität ausgeführt Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 70/81
Weitere Elemente Multitasking Taskwechsel Programmausführung wird vom Betriebssystem unterbrochen Programmstatus (Registerwerte) wird vom Betriebssystem gesichert Status der nächsten Anwendung wird wieder hergestellt nächste Anwendung wird ausgeführt Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 71/81
Weitere Elemente Multitasking Scheduler ist für den Taskwechsel zuständig Preemptiv Tasks können vom Scheduler unterbrochen werden Scheduler wird aufgerufen wenn ein Ereignis eingetreten ist (z.b. Timerinterrupt oder anderes externes Ereignis) Non-Preemptiv jede Anwendung gibt die CPU selbst frei (z.b. wenn alle Aufgaben erledigt sind oder zu festgelegten Zeitpunkten innerhalb des Programmablaufs) Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 72/81
Weitere Elemente Multitasking Virtueller Adressraum bis jetzt war ein 1:1 Mapping möglich beim Erstellen eines neuen Threads (Anwendung) müssen Teile des Adressraums 1:1 übernommen werden, andere Teile müssen ausgetauscht werden der Kernelteil ist in allen virtuellen Adressräumem gleich Adr. 1 Virt. Adr. 1 Virt. Adr. 2 Phys. 0xFFFF FFFF 0xFFFF FFFF 0xFFFF FFFF Kernel Kernel Kernel 0x8000 0000 0x8000 0000 App2 App1 App2 App1 0x0000 0000 0x0000 0000 0x0000 0000 Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 73/81
Weitere Elemente User Mode eine fehlerhafte Anwendung soll andere Anwendungen weder stören noch das System zum Erliegen bringen Einschränkungen beim HW Zugriff nötig kein Zugriff auf die Daten und den Code anderer Anwendung keine Änderungen am Setup der CPU Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 74/81
Weitere Elemente User Mode Besonderheiten beim x86 kein direkter Wechsel durch einen Befehl möglich Umweg über IRET nötig Ausführungsmodus wird in den 2 unteren Bits der Segmentregister codiert Wechsel von Kernel in User Mode ist kritisch, deshalb sollten alle Interrupts ausgeschaltet werden ein enable irq() ist im User Mode nicht möglich damit eine Anwendung im User Mode unterbrochen werden kann, muss der Wert des EFLAGS Register, welches beim IRET geladen wird, entsprechend modifizert werden Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 75/81
Weitere Elemente System Calls Austausch zwischen User und Kernel Mode Anwendung muss für bestimmte Operationen den Kernel um Hilfe bitten der Kernel stellt jeder Anwendung ein System Call Interface mit bestimmten Funktionen bereit System Calls werden traditionell über Software Interrupts abgebildet Anzahl der Parameter eines System Calls sind durch das Interface beschränkt aus Sicherheitsgründen sollte jede Anwendung einen eigenen Kernel Stack haben Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 76/81
Weitere Elemente System Calls x86 Besonderheiten die x86 Architektur bietet eine Alternative zur Variante mit Software Interrupts Task State Segment (TSS) TSS bietet nur minimale Laufzeitvorteile, weswegen meist die oben genannte Variante verwendet wird dennoch ist ein minimales TSS Setup nötig die Descriptor Tabellen müssen diesbezüglich erweitert werden Siehe JamesM s kernel development tutorials für den Wechsel in den User Mode und das Bereitstellen von System Calls Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 77/81
Weitere Elemente Alles Zusammen Kernel initialisiert die Hardware und führt danach einen Wechsel in den User Mode aus 1. Anwendung z.b. eine Shell wird ausgeführt Möchte der User eine neue Anwendung starten, wird ein System Call aufgerufen es erfolgt ein Wechsel in den Kernel Mode es wird ein neuer virtueller Adressraum für die neue Anwendung aufgesetzt danach erfolgt der Wechsel vom Kernel in den User Mode und die neue Anwendung wird ausgeführt beim nächsten Timer Interrupt erfolgt der Wechsel in den Kernel, welcher der aktuellen Anwendung die CPU entzieht und diese an die 1. Anwendung (Shell) übergibt hat der User keine Eingabe in die Shell gemacht, ruft diese erneut einen System Call auf, um die CPU gleich wieder freizugeben Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 78/81
Weitere Elemente Ausblick VESA-Treiber für die Textausgabe am Monitor schreiben Tastaturtreiber entwickeln serielle Konsole durch Monitor und Tastatur ersetzten serielle Schnittstelle verbessern, neue Chipvarianten unterstützen, automatisches Erkennen der Chipvariante eigenen Heap entwickeln eigenes kleines Dateisystem schreiben Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 79/81
Literatur Literatur Modern Operating Systems, Andrew S. Tanenbaum Microprocessors PC Hardware and Interfacing, N. Mathivanan Linux Device Drivers, Corbet, Rubini und Kroah-Hartman Algorithmen und Datenstrukturen, Ottmann und Widmayer Intel x86 Handbücher Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 80/81
Literatur Literatur JamesM s kernel development tutorials http://www.jamesmolloy.co.uk/tutorial_html 8250 UART Programming http://en.wikibooks.org/wiki/serial_programming/8250_uart_programming 8259 PIC http://wiki.osdev.org/pic 8253 PIT http://www.brokenthorn.com/resources/osdevpit.html http://www.intel.com/design/archives/periphrl/docs/7203.htm?wapkw=8254 http://www.sharpmz.org/mz-700/8253ovview.htm Wiki OSDev.org http://wiki.osdev.org/ Tobias Stumpf Matthias Keller Fernando Arroniz Einstieg in die Betriebssystementwicklung 81/81